時間：2023-07-14 16:25:25
序論：在您撰寫電力系統(tǒng)研究分析時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
電力系統(tǒng)潮流計算具有很重要的現(xiàn)實意義：可以合理規(guī)劃電網(wǎng)中的電源容量和電源接入點以及確定最佳的電網(wǎng)架構(gòu)；可以找出電網(wǎng)中因為負荷增長和新設(shè)備投入而導(dǎo)致的薄弱環(huán)節(jié)，方便對電網(wǎng)進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改進以及基建的加速；提供發(fā)電廠進行有功、無功調(diào)整以及負荷調(diào)整的計算依據(jù)；可以分析未來可能發(fā)生的事故以及設(shè)備的投切對電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，進而得出相應(yīng)的運行方式和調(diào)整方案。
在過去半個世紀以前，人們都是采用手工方法計算電力系統(tǒng)潮流，主要依靠計算尺。但是由于電力系統(tǒng)日漸復(fù)雜，手工計算起來非常復(fù)雜，不僅耗時費力，同時也容易出錯。與此同時，伴隨著計算機行業(yè)的飛速發(fā)展，就出現(xiàn)了后來的計算機算法。
在傳統(tǒng)的“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)課程中，教師們一般僅針對一些簡單的電力系統(tǒng)（節(jié)點數(shù)很少）進行潮流計算，而忽視了現(xiàn)有潮流計算最通行常用的計算機算法。這種課程教學(xué)不僅枯燥，學(xué)生難以深刻領(lǐng)悟，而且與實際研究脫軌，因為目前現(xiàn)實中的電力系統(tǒng)都很復(fù)雜，采用手算不切實際，也就失去了教學(xué)的根本意義。本文針對課程教學(xué)中潮流計算方面存在的問題而進行教學(xué)改革研究。
DIgSILENT軟件的潮流計算簡介
電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT的名稱來源于數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序（Digital Simulation and Electrical Network），是德國DIgSILENT GmbH公司開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件。
DIgSILENT軟件幾乎包含了所有電力系統(tǒng)的常用分析功能，如潮流計算、短路計算（包括對稱短路和不對稱短路計算）、機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)計算、諧波分析以及小干擾穩(wěn)定性分析等等。另外一個重要的特點是把機電暫態(tài)分析模型與電磁暫態(tài)分析模型結(jié)合到一起，這樣做的好處就是它不僅能夠分析電網(wǎng)的暫態(tài)故障，而且又能研究電網(wǎng)的長期的電能質(zhì)量問題及其控制手段。
DIgSILENT/Power Factory提供了非常全面的電力系統(tǒng)元件的模型庫，包括發(fā)電機、電動機、控制器、動態(tài)負荷、線路、變壓器、并聯(lián)設(shè)備的模型，甚至包括風(fēng)電機組電氣部分的模型，如：雙饋感應(yīng)電機、變頻器等等；其他部分如風(fēng)速、機械傳動系統(tǒng)、空氣動力學(xué)部分以及控制系統(tǒng)都采用動態(tài)仿真語言DSL進行搭建。
DIgSILENT可以描述復(fù)雜的單相和三相AC系統(tǒng)及各種交直流混合系統(tǒng)。利用DIgSILENT進行潮流計算時，通過指定發(fā)電機、異步電動機、負荷等系統(tǒng)元件的特性來確定與之相連的母線在潮流計算中相應(yīng)的屬性，這樣就能夠以簡單的操作方式來模擬復(fù)雜而真實的系統(tǒng)。此外，程序還提供了多種遠程控制模式，例如多個發(fā)電機共同控制系統(tǒng)頻率或母線電壓等。DIgSILENT以更加接近實際情況的方式執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的控制模式，使操作和計算均得到簡化。潮流求解過程提供了3種方法以供選擇：經(jīng)典的牛頓-拉夫遜算法、牛頓-拉夫遜電流迭代法和線性方程法。與此同時，DIgSILENT軟件還可以進行變電站控制、網(wǎng)絡(luò)控制以及變壓器分接頭調(diào)整控制。當(dāng)潮流計算遇到不收斂的情況時，程序會自動將非線性的元件模型逐步線性化（主要是將所有負荷逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ㄗ杩梗瑢⒎瞧胶夤?jié)點發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)閹?nèi)阻抗的簡單電壓源），進而得出計算結(jié)果，該結(jié)果可用于對系統(tǒng)不收斂的原因作進一步分析。潮流計算的同時，DIgSILENT軟件還可以實現(xiàn)過負荷校驗計算等功能。
此外，最新版本的DIgSILENT還提供了最優(yōu)潮流計算（OPF）功能。所謂最優(yōu)潮流計算就是對基本潮流計算的有益補充。最優(yōu)潮流計算主要采用內(nèi)點法，而且提供了多種約束條件和控制手段，其目標(biāo)函數(shù)主要有最小網(wǎng)損、最小燃料費用、最大利潤及最小區(qū)域交換潮流。
DIgSILENT軟件正逐漸成為電力系統(tǒng)研究方面最為認可的計算機軟件之一，其所提供的潮流計算以及仿真結(jié)果已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛認可。
課程教學(xué)安排
手算
潮流計算可以用一組高階的非線性的方程來表示，但是不含有微分方程，主要是因為潮流計算隸屬于穩(wěn)態(tài)分析，故不涉及系統(tǒng)元件的動態(tài)特性和過渡過程，而解非線性代數(shù)方程組最基本的方法就是迭代。因此，設(shè)計潮流計算算法的首要任務(wù)同時也是最為關(guān)鍵的問題就是收斂性，最終得出合理的解。
雖然目前計算機潮流算法運用十分廣泛，但是掌握一些手算方法，不僅可以加深對其物理概念的理解，而且即便采用計算機算法，之前通常仍需采用手算求取某些原始數(shù)據(jù)。
這里所說的潮流計算手算方法主要針對簡單網(wǎng)絡(luò)的潮流分布，但是所謂的簡單網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)之間并沒有明顯的界限。課前老師把所需進行手算的算例以及分析資料分發(fā)給學(xué)生，讓大家提前預(yù)習(xí)并先進行獨立計算。然后在實驗課上針對大家可能出現(xiàn)的共同問題進行詳細講解，并推導(dǎo)全過程，加深大家對潮流計算的認識和理解，掌握其原理。
運用DIgSILENT軟件計算電力系統(tǒng)潮流
前面已經(jīng)說到，計算機算法是大勢所趨，而且已經(jīng)得到廣泛運用，是電氣工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項重要技能，也是未來繼續(xù)深造以及競爭重要工作崗位的一個重要砝碼。所以掌握并熟練運用計算機軟件對本專業(yè)學(xué)生的未來發(fā)展起著重要的推動作用。
眾所周知，DIgSILENT軟件正逐漸成為電力系統(tǒng)研究方面最為認可的計算機軟件之一。無一例外，任何一種電氣設(shè)計軟件都是先尋找或是自己搭建元件模型，然后通過所述關(guān)系搭建網(wǎng)絡(luò)模型，其次就是設(shè)置元件參數(shù)，最后進行潮流計算。那么，如何判斷一種設(shè)計軟件是否優(yōu)越，就是一看元件模型庫是否豐富、準(zhǔn)確，二看元件參數(shù)設(shè)置是否簡單明了，再者就是看控制語言是否簡潔易懂。
DIgSILNET采用有名值進行計算，電網(wǎng)元件從類型數(shù)據(jù)和個體數(shù)據(jù)兩個層面被嚴格定義。類型數(shù)據(jù)包含了該類型元件用于各個計算功能的基本信息，例如某一架空線路的類型為OHL110kV-1，該類型的架空線為潮流計算提供的基本信息為，，，為短路計算提供的基本信息為，。對某一類型數(shù)據(jù)的改變將影響到所有采用該類型屬性的元件。個體數(shù)據(jù)則是每個元件在分析計算中所要用到的僅與該元件本身相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如某一架空線路的長為。采用該種方法進行計算機計算是有很多好處的。首先，我們無需再進行標(biāo)幺值計算，避免了繁瑣的計算，可以直接采用一些直觀的銘牌數(shù)據(jù)等；其次，對于軟件來講，這也大大減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)儲存，顯然對提高計算機速度也有一定的幫助。
在DIgSILNET中執(zhí)行潮流計算、故障分析、諧波分析、動態(tài)仿真等功能時，可以引入多種電力電子元件，包括FACTS裝置（如SVS、TCSC和UPFC）、直流整流和逆變器等。DIgSILENT為所使用的電力電子元件提供了豐富、開放且定期更新的模型庫。
這些對于課程教學(xué)來說，減輕了單純的軟件學(xué)習(xí)難度，可以緩解學(xué)生對新軟件學(xué)習(xí)的畏難心理。這種人機交互的友好界面，不僅老師們授課講解起來比較輕松，而且學(xué)生們更易于接受，更為重要的是可激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣。
對比手算與機算
在課程的最后一個環(huán)節(jié)，但也是很重要的一個步驟，就是對比分析潮流分布的手算以及計算機算法。眾所周知，學(xué)習(xí)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要學(xué)會對比分析以及總結(jié)，這種能力是學(xué)生們亟待培養(yǎng)和掌握的。最后，通過對比兩種方法的結(jié)果，計算兩者之間的誤差，再分析一下導(dǎo)致這種后果的原因，原因可能是計算機算法或是手算采用了哪些近似處理，或是計算結(jié)果精確度的不同，這些都是需要學(xué)生自己進行總結(jié)歸納的。這一步看似可有可無，電力系統(tǒng)潮流分布的手算以及機算的結(jié)果都已經(jīng)出來，課程已經(jīng)結(jié)束。實則不然，這關(guān)鍵的最后一步恰恰是中國高等教育中最缺乏的部分，就是對新知識的分析與自我總結(jié)。做好這一步，對于學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力的提升起到關(guān)鍵作用。
【關(guān)鍵詞】CPPS；同步PMU；開放式通信；分布式控制
【Abstract】The construction of future smart grid became achievable due to the rapid development of embedded system， computing technology and communications technology. Modeling of Cyber-Physical Power System which based on CPS technology gave a new way to build the future smart grid. The platform of CPPS was studied and analyzed in a preliminary step. Synchronous PMU， open communication network， distributed control which was applied to CPPS was introduced.
【Key words】CPPS； Synchronous PMU； Open communication network； Distributed control
0 引言
受能源危機、環(huán)保壓力的推動，以及用戶對電能質(zhì)量（QoS）要求的不斷提高，當(dāng)代電力系統(tǒng)不再符合社會的發(fā)展需求，智能電網(wǎng)（Smart Grid）成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)的發(fā)展原因主要有以下幾個方面：
1）分布式電源（Distributed Generation，DG）大量接入電網(wǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。由于DG的大量接入使電網(wǎng)變成一個故障電流和運行功率雙向流動的有源網(wǎng)絡(luò)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和脆弱度，因此亟需發(fā)展智能電網(wǎng)以解決DG大量接入電網(wǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。
2）電力用戶對電能質(zhì)量（QoS）要求的不斷提高?，F(xiàn)代社會短時間的停電也會給高科技產(chǎn)業(yè)帶來巨額的經(jīng)濟損失，近年來發(fā)生的大停電事故更是給社會帶來了難以估量的經(jīng)濟損失。因此，亟需建立堅強自愈的智能電網(wǎng)以提供優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)。
論文主體結(jié)構(gòu)如下：第1部分介紹了近年來信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System ，CPS）技術(shù)的發(fā)展以及CPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系；第2部分介紹了電力信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Power System，CPPS）的硬件平臺模型；第3部分介紹了同步相量測量裝置（Phasor Measurement Units，PMU）技術(shù)；第4部分對CPPS中的開放式通信網(wǎng)絡(luò)進行了初步分析；第5部分對CPPS的分布式控制技術(shù)進行了簡單介紹；最后第6部分做出全文總結(jié)。
1 CPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系
CPS技術(shù)的發(fā)展得益于近年來嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等的高速發(fā)展，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)對物理世界隨時隨地的控制。CPS通過嵌入數(shù)量巨大、種類繁多的無線傳感器而實現(xiàn)對物理世界的環(huán)境感知，通過高性能、開放式的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部安全、及時、可靠地通信，通過高精度、可靠的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)、遠程精確控制的目標(biāo)[1]。
CPS技術(shù)已經(jīng)在倉儲物流、自主導(dǎo)航汽車、無人飛機、智能交通管理、智能樓宇以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得以初步研究應(yīng)用[2]。
將CPS技術(shù)引入到智能電網(wǎng)中，可以得到電力信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Power System，CPPS）的概念。為了分析CPPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系，首先簡單回顧一下智能電網(wǎng)的概念。目前關(guān)于智能電網(wǎng)的概念較多，并且未達成一致結(jié)論。IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske認為智能電網(wǎng)有3個層面的含義：首先利用傳感器對發(fā)電、輸電、配電、供電等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)控；然后把獲得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行傳輸、收集、整合；最后通過對實時數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達到對整個電力系統(tǒng)運行進行優(yōu)化管理的目的[3-4]。
從上文關(guān)于CPS和智能電網(wǎng)的介紹中可以看出，CPS與智能電網(wǎng)在概念上有相通之處，它們均強調(diào)利用前沿通信技術(shù)和高端控制技術(shù)增強對系統(tǒng)的環(huán)境感知和控制能力。因此，在CPS基礎(chǔ)上建立的CPPS為促進電力一次系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合，最終實現(xiàn)構(gòu)建完整的智能電網(wǎng)提供了新的思路和實現(xiàn)途徑。
2 CPPS的硬件平臺架構(gòu)
基于分布式能源廣泛接入電網(wǎng)所引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題以及建立堅強自愈智能電網(wǎng)的總體目標(biāo)，建立安全、穩(wěn)定、可靠的智能電網(wǎng)成為未來電力系統(tǒng)研究的重要方向，同時也是CPPS研究的主要內(nèi)容。
傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)監(jiān)測手段主要有基于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)測的SCADA/EMS系統(tǒng)和側(cè)重于電磁暫態(tài)過程監(jiān)測的各種故障錄波儀，保護控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保護控制裝置安裝處的就地控制方式[5]。就地控制方式易于實現(xiàn)，并且響應(yīng)速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不夠完善，不能預(yù)測和解決系統(tǒng)未知故障，對于電力系統(tǒng)多重反應(yīng)故障更不能準(zhǔn)確動作。集中控制方式利用系統(tǒng)全局信息，能夠優(yōu)化系統(tǒng)控制性能，但是計算數(shù)據(jù)龐大、通信環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，并且現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)主要對電力系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)分析，不能對電力系統(tǒng)的動態(tài)運行進行有效地控制。
針對目前電力系統(tǒng)監(jiān)測、控制手段的不足，要建立堅強自愈的未來智能電網(wǎng)，必須建立相應(yīng)的廣域保護的實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，CPPS的硬件平臺就是在此基礎(chǔ)上建立起來的。
CPPS的硬件平臺6層體系架構(gòu)如圖1所示，主要包括：物理層（電力一次設(shè)備）、傳感驅(qū)動層（同步PMU）、分布式控制層（智能終端單元STU、智能電子裝置IED等）、過程控制層（控制子站PLC）、高級優(yōu)化控制層（SCADA主站控制中心）和信息層（開放式通信網(wǎng)絡(luò)）。
其中，底層的物理層是指電力系統(tǒng)的一次設(shè)備，如發(fā)電廠、輸配電網(wǎng)等。傳感驅(qū)動層主要用于對電力系統(tǒng)的動態(tài)運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，測量參數(shù)包括電流、電壓、相角等，在CPPS中廣泛使用的測量裝置是同步PMU。分布式控制層主要包括各STU/IED，為廣域保護的分布式就地控制提供反饋控制回路。過程控制層主要指樞紐發(fā)電廠和變電站的控制子站，是CPPS的重要組成部分，通過收集多個測量節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，建立系統(tǒng)層面的控制回路，并做出相應(yīng)的控制決策。高級優(yōu)化控制層是指調(diào)度中心控制主站，主要為電力系統(tǒng)的動態(tài)運行提供人工輔助優(yōu)化控制。頂層的信息層即智能電網(wǎng)的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，注意信息層并不是單獨的一層，而是重疊搭接CPPS的各個分層，為CPPS內(nèi)部各組件提供安全、及時、可靠的通信。
上文給出了CPPS的硬件平臺模型，但要在電力系統(tǒng)中具體實現(xiàn)CPPS，涉及諸多方面的技術(shù)難題，下面對CPPS中的同步PMU、開放式通信網(wǎng)絡(luò)以及分布式控制等分別加以簡單介紹。
3 同步PMU測量技術(shù)
同步PMU是構(gòu)建CPPS的基礎(chǔ)，它為CPPS中廣域保護的動態(tài)監(jiān)測提供了豐富的測量數(shù)據(jù)。同步PMU裝置主要對電力系統(tǒng)內(nèi)部的同步相量進行測量和輸出，裝設(shè)點包括大型發(fā)電廠、聯(lián)絡(luò)線落點、重要負荷連接點以及HVDC、SVC等控制系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)包括線路的三相電壓、三相電流、開關(guān)量以及發(fā)電機端的三相電壓、三相電流、開關(guān)量、勵磁電流、勵磁電壓、勵磁信號、氣門開度信號、AGC、AVC、PSS等控制信號[6]。利用測得的數(shù)據(jù)可以進行系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度分析，為電力系統(tǒng)的動態(tài)控制提供依據(jù)。
同步PMU的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
其中，GPS接收模塊將精度在±1微秒之內(nèi)的秒脈沖對時脈沖與標(biāo)準(zhǔn)時間信號送入A/D轉(zhuǎn)換器和CPU單元，作為數(shù)據(jù)采集和向量計算的標(biāo)準(zhǔn)時間源。由電壓、電流互感器測得的三相電流、電壓經(jīng)過濾波整形和A/D轉(zhuǎn)換后，送到CPU單元進行離散傅里葉計算，求出同步相量后再進行輸出。注意，發(fā)電機PMU除了測量機端電壓、電流和勵磁電壓、電流以外，還需接入鍵相脈沖信號用以測量發(fā)電機功角[7]。
4 CPPS的開放式通信網(wǎng)絡(luò)
建立CPPS的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該在保證安全、及時、可靠的通信的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)具有高度的開放性，支持自動化設(shè)備與應(yīng)用軟件的即插即用，支持分布式控制與集中控制的結(jié)合。對于建立的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，需要進行通信實時性分析、網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性分析。
4.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)而運用于智能變電站中，支持設(shè)備的即插即用和互操作，使智能變電站具有高度的開放性。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，同時正在進一步發(fā)展成為智能電網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)[8]，因此，使用IEC 61850作為CPPS通信網(wǎng)路的通信標(biāo)準(zhǔn)是最佳選擇。
IEC 61850的核心技術(shù)[9]包括面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、XML（可擴展標(biāo)記語言）技術(shù)、軟件復(fù)用技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)以及高速以太網(wǎng)技術(shù)等。
4.2 通信網(wǎng)絡(luò)配置與分析
對于CPPS開放式通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置，可參考智能變電站的三層二網(wǎng)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置，構(gòu)建CPPS的3層式通信網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。
其中，底層為位于發(fā)電廠、變電站和重要負荷處的大量PMU、STU/IED，分別負責(zé)采集實時信息和執(zhí)行保護控制功能。中間層為控制子站（過程控制單元PLC），每個控制子站與多個PMU、STU/IED相連，以完成該分區(qū)系統(tǒng)層面的保護控制，并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)上傳到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上傳數(shù)據(jù)，處理以后將控制信息下發(fā)到各控制子站，以實現(xiàn)CPPS的廣域保護控制功能。注意，各層設(shè)備均嵌入GPS實現(xiàn)精確對時，保證全系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)采樣。
5 CPPS的分布式控制機理
要建立堅強自愈的智能電網(wǎng)，必須利用新型控制機理建立可靠的電力控制系統(tǒng)。根據(jù)電力故障擴大的路徑和范圍以及故障的時間演變過程，文獻[10-11]中提出建立時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架，建立了電力系統(tǒng)的3道防線，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)的廣域動態(tài)保護控制奠定了良好的基礎(chǔ)。
電力系統(tǒng)的分布式控制（Distributed Control，DC）是相對于傳統(tǒng)的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多機系統(tǒng)，即用多臺計算機（指嵌入式系統(tǒng)，包括PLC控制子站和STU/IED等）分別控制不同的設(shè)備和對象（如發(fā)電機、負荷、保護裝置等），各自構(gòu)成獨立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，通過對任務(wù)的相互協(xié)調(diào)和分配而完成系統(tǒng)的整體控制目標(biāo)[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在電力系統(tǒng)的3道防線的基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式控制技術(shù)，建立CPPS的3層控制架構(gòu)，如圖4所示。
其中，分布式控制層主要是在故障發(fā)生的起始階段（緩慢開斷階段）采取的控制措施，其控制目標(biāo)應(yīng)該是保證系統(tǒng)在不嚴重故障下的穩(wěn)定性，防止故障的蔓延。過程控制層是在系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生嚴重故障時（級聯(lián)崩潰開始階段）所采取的廣域緊急控制措施，需要付出較大的代價。通常針對可能會使系統(tǒng)失穩(wěn)的特定故障，往往需要投切非故障設(shè)備以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。廣域的緊急控制措施應(yīng)該在故障被識別出的第一時間立即實施，控制措施實施越晚，控制效果越差。優(yōu)化控制層是在前兩層控制均拒動或欠控制而沒有取得控制效果，同時在檢測到各種不穩(wěn)定現(xiàn)象后所采取的控制措施，通常需要進行多輪次的切負荷和振蕩解列。在電力恢復(fù)階段，要有自適應(yīng)的黑啟動和自痊愈的控制方案。
6 結(jié)語
將CPS方法引入到電力系統(tǒng)中，建立CPPS的模型平臺，為建立堅強自愈的智能電網(wǎng)提供新的思路。文中對CPPS中的同步PMU測量技術(shù)、開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式控制技術(shù)分別進行了簡單介紹。
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關(guān)鍵詞：不確定性；潮流分析；概率性；可能性
引言
對于電力系統(tǒng)的調(diào)度和規(guī)劃來說，潮流評估是一個強大且重要的工具和手段。確定性潮流分析需要系統(tǒng)提供各方面條件的精確數(shù)值才能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，比如需求、發(fā)電量、網(wǎng)絡(luò)情況等。然而，隨著新能源時代的到來，世界上的電力系統(tǒng)中出現(xiàn)越來越多的不確定性情r，特別是分布式能源比如新能源的并網(wǎng)，將導(dǎo)致許多難以預(yù)測的副作用。所謂分布式發(fā)電，即將電力能源互相連接到分布式網(wǎng)絡(luò)中。雖然分布式發(fā)電在技術(shù)、社會經(jīng)濟和環(huán)境保護等方面帶來了許多無與倫比的優(yōu)勢，但是我們深知任何事物都有其兩面性，這項技術(shù)也擁有消極的一面。分布式發(fā)電，特別是飛速發(fā)展的新能源，在對系統(tǒng)性能的不確定性方面的理論研究尚未成熟，需要一代又一代的中國優(yōu)秀電氣工程師投入大量精力研究。
1 不確定性潮流分析研究方法概論
在這樣一種不確定的情況下，確定性潮流計算無法準(zhǔn)確深刻地揭示電力系統(tǒng)運行的狀態(tài)。因此，在如今的潮流計算研究中，基于不確定性觀點下的潮流分析與計算受到廣泛研究者的關(guān)注。當(dāng)今的研究中，概率潮流分析通常認為是系統(tǒng)調(diào)度與規(guī)劃的理想助力。概率潮流分析方法致力于模擬母線電壓和線電流隨不確定性系統(tǒng)中的參數(shù)改變而變化的狀態(tài)分析，幫助電力系統(tǒng)工程師分析系統(tǒng)未來的狀態(tài)變化趨勢，這樣在發(fā)生系統(tǒng)發(fā)生重大變化時可以提前作出相關(guān)的決策。如果這些系統(tǒng)中具有不確定性的狀態(tài)量擁有充足的歷史數(shù)據(jù)，現(xiàn)行的研究中主要采用基于概率論觀點下的數(shù)學(xué)工具和模型來處理這類不確定性。然而，在電力系統(tǒng)實際運行中，很多不確定性的系統(tǒng)變量的歷史數(shù)據(jù)往往不完整，或者變量的取值是通過經(jīng)驗推測的等。這些情況的存在將嚴重影響基于概率論建立的系統(tǒng)概率潮流分析模型的精確度。在電力系統(tǒng)實際運行中，對不確定變量的狀態(tài)分析更加困難，一些不確定變量是概率性的，一些是可能性的，并且這兩類不確定變量時常出現(xiàn)交叉耦合的情況。因此在這種情況下，同時考慮概率性和可能性的不確定性變量的影響是現(xiàn)行的研究方向，這也就是我們所謂的不確定性潮流分析問題。
至今為止，許多杰出的研究者和工程師提出了大量針對實際工程系統(tǒng)中不確定性現(xiàn)象分析方法，并且很多已經(jīng)在研究中廣泛應(yīng)用。從上世紀70年代開始，電氣工程師就已經(jīng)提出了基于概率論的系統(tǒng)不確定性潮流分析方法。由于當(dāng)時新能源研究和分布式發(fā)電技術(shù)還沒有像現(xiàn)在這樣普及，影響因素種類較為單一，因此在當(dāng)時這種概率潮流方法取得了非常顯著的效果。各種研究成果在時間的檢驗下演變，如今蒙特卡洛模擬作為一種基于概率論的概率潮流分析方法，在研究中廣泛使用，被認為是先進系統(tǒng)潮流分析中普遍通用的概率模擬方法。這里對普遍通用的含義進行粗略的說明，電氣工程師在大量的理論推演和實踐中證明，蒙特卡洛模擬的結(jié)果在各種規(guī)模不同的電力系統(tǒng)中均表現(xiàn)得顯著而準(zhǔn)確，因為被當(dāng)作模擬結(jié)果的參考值。蒙特卡洛方法的實際應(yīng)用案例很多，當(dāng)前在新能源發(fā)電并網(wǎng)與分布式發(fā)電的研究中基本上作為一種技術(shù)標(biāo)中采用，并且各種蒙特卡洛相關(guān)方法還在開發(fā)中。
2 不確定性潮流分析中的挑戰(zhàn)
歷史的車輪滾動向前，基于概率論的潮流分析方法的研究還在繼續(xù)發(fā)展。如今新能源與分布式方面的研究日新月異，歷史的車輪殘酷地碾過，電氣工程師們面臨著不斷出現(xiàn)的技術(shù)難題。我們前面提到，當(dāng)關(guān)于不確定變量的歷史數(shù)據(jù)或其概率分布函數(shù)已知時，這種概率潮流方法才能取得較為顯著的結(jié)果。這是由于概率潮流的理論基礎(chǔ)中有一個假設(shè)，電網(wǎng)中所有類型不確定性變量都可以用基于概率論的方式表示出來，這種基于概率論的表示具體是就概率分布函數(shù)而言。通常在現(xiàn)在的電網(wǎng)中，由于層出不窮的因素的影響，比如歷史數(shù)據(jù)不精確或稀缺、數(shù)據(jù)的保密性等等，在信息不足的情況下無法得出這些不確定性變量的概率分布函數(shù)。在這種情況中，概率理論的基石被打破，因此電氣工程科研工作者必須轉(zhuǎn)向其他研究不確定性現(xiàn)象的理論中尋求一線生機；哪怕天寒地凍，路遙馬亡，也要在理論上找到突破口，為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展掃清一切障礙。最終這些偉大的電氣工程師們研究發(fā)現(xiàn)，可能性理論正好可以填補這部分理論空白?；谶@種想法，有研究者嘗試過使用模糊建模的技術(shù)分析潮流中的不確確定性，全新的探索也一直在繼續(xù)。
系統(tǒng)工程師們都知道，工程系統(tǒng)中均具有多種不同類型的不確定性狀態(tài)變量，這是工程界通行的法則。實際的工程系統(tǒng)中，一些不確定性變量是概率性的（基于概率性理論描述），一些是可能性的（基于可能性理論描述），這些變量在系統(tǒng)中相互糾纏耦合，純粹的概率性的和純粹的可能性的不確定性變量是不存在的，因此單獨應(yīng)用某一個理論分析這些不確定性的結(jié)果令人十分懊惱。
工程實踐中，一種結(jié)合兩種理論的方法應(yīng)運而生，而且工程的實用性知道我們必須把兩種理論結(jié)合起來分析。這種基于概率和不確定理論的方法飛速發(fā)展，引起學(xué)者的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在研究中，一個主要的研究貢獻是使用證據(jù)理論作為“膠水理論”，將概率理論與可能性理論“粘結(jié)”結(jié)合后應(yīng)用到電力系統(tǒng)潮流分析，同時基于能源時代的大背景，綜合考慮各種負載、風(fēng)能和太陽能等新能源發(fā)電、汽輪機分布式發(fā)電、電動交通工具等因素。實際建模中，將各種負載、風(fēng)能和太陽能等新能源發(fā)電中的不確定性變量當(dāng)作概率性的，汽輪機分布式發(fā)電、電動交通工具等看成可能性的不確定性變量。
3 結(jié)束語
在這篇論文中，我們從歷史唯物主義的角度討論了潮流分析的發(fā)展和研究情況，并且就研究中出現(xiàn)的困難和挑戰(zhàn)出發(fā)，介紹了一代代優(yōu)秀的電氣工程研究者的解決方案。以史為鏡，這是一代代優(yōu)秀電力系統(tǒng)研究者的思想精華之所在。我們站在巨人的肩膀上，把握住未來電力系統(tǒng)不確定性潮流分析的發(fā)展和研究方向。為此，立志科研，在電力系統(tǒng)未來半百時光的發(fā)展中，愿成為其健壯發(fā)展的堅實后盾！
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】分布式電網(wǎng)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
0 引言
能源和環(huán)境是每個國家發(fā)展戰(zhàn)略中不可忽略的重要的兩個環(huán)節(jié)[1]。自從上世紀工業(yè)革命以來，各國的工業(yè)技術(shù)水平得到了飛速發(fā)展，人類生存質(zhì)量得到了顯著的提高，以火力發(fā)電為主的電網(wǎng)系統(tǒng)控制技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)完善的研究與應(yīng)用。但與此同時，環(huán)境污染問題也變得越發(fā)嚴重。并且隨著以煤炭、石油為主的傳統(tǒng)能源的日益短缺，開發(fā)利用新型的、清潔的、可再生的能源，已經(jīng)成為了當(dāng)務(wù)之急。
隨著低碳經(jīng)濟的概念在全球范圍內(nèi)的推廣，并且伴隨著只能電網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，開展基于可再生能源的電網(wǎng)控制技術(shù)研究，逐漸成為了各國科研人員的關(guān)注重點。以風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)逐漸走進了人們的視野，并且受到了越來越多的關(guān)注?？梢哉f，新能源發(fā)電系統(tǒng)是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的必然方向，也是我國十二五工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型順利推進的前提保障。所以，開展基于新能源發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，對于我國進一步提升國家競爭力，提升工業(yè)技術(shù)水平，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
1 分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
分布式發(fā)電系統(tǒng)按照其能源來源分類，大致可以分為分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。其中，風(fēng)力發(fā)電以其資源保有量大、發(fā)電成本低，發(fā)電系統(tǒng)運行容錯率高的特點，逐漸成為各國分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)研究的主流方向。
分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下部件組成：風(fēng)輪機、發(fā)電機、儲能裝置以及分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器組成。隨著機械控制技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)輪機經(jīng)歷了定槳距到變槳距的演變歷程，其中，定槳距風(fēng)輪機以其相對較高的控制穩(wěn)定度，成為了分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的首選。
目前，風(fēng)力發(fā)電機以永磁同步電機、雙饋異步電機和無刷直流電機3大類為主。其中，永磁同步電機功率密度低，且機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度成本高，逐漸被后兩個取代，而雙饋異步電機同樣存在系統(tǒng)控制策略設(shè)計復(fù)雜的問題。無刷直流電機是近年來電氣研究領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)，其勵磁、電樞繞組均設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，電流換向無需輔助裝置，已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電市場中有了一席之地。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器，一直以來都是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的核心技術(shù)難點之一。其承擔(dān)著系統(tǒng)各運行部件的實時監(jiān)控、最大風(fēng)能跟蹤，負載需求管理等功能。隨著DSP，F(xiàn)PGA等集成電路芯片的誕生，系統(tǒng)控制器的設(shè)計也由原先的硬件控制設(shè)計轉(zhuǎn)為軟件研發(fā)為主?？梢哉f，系統(tǒng)控制器的設(shè)計水準(zhǔn)，很大程度上決定了整個分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行性能。
2 分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計
本文建立的分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。其基本運行原理如下：風(fēng)輪機捕獲風(fēng)能，然后經(jīng)無刷直流發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，無刷直流輸出端直接構(gòu)造系統(tǒng)直流母線，直流負載直接掛接在直流母線上工作，交流負載可以通過直流母線電壓外接逆變器實現(xiàn)供電，蓄電池通過雙向DC/DC與直流母線交聯(lián)，分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控、控制、調(diào)節(jié)功能，當(dāng)雙向DC/DC失效時，分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器可以利用相關(guān)接觸器控制，實現(xiàn)雙向DC/DC的切投，此時蓄電池可以直接通過匯流條與直流母線相連，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的備份運行。
雙向DC/DC的設(shè)計選擇是影響系統(tǒng)運行性能的關(guān)鍵。因雙向DC/DC具有能量雙向流動的特性，因此，僅采用一套電路即可實現(xiàn)蓄電池充放電的實時控制，可以顯著節(jié)約系統(tǒng)硬件成本?；诳刂茝?fù)雜度考慮，雙向DC/DC拓撲中的電子開關(guān)管不易過多，所以本文選擇雙向雙管正激電路，其只需要2路兩兩互補的導(dǎo)通驅(qū)動信號，即可實現(xiàn)系統(tǒng)需求的控制功能。
風(fēng)力發(fā)電機與風(fēng)輪機的合理選型，也是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率的另一個關(guān)鍵因素之一。基于無刷直流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、容錯率高的特點，本文選擇電勵磁無刷直流電機作為系統(tǒng)發(fā)電機，將其與定槳距風(fēng)輪機采用傳動軸直接連接的方式，降低了機械部件之間的損耗，并可進一步提高系統(tǒng)運行效率。
分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，本文以主流的DSP2812為控制器基礎(chǔ)單元，在芯片內(nèi)部駐留母線電壓、蓄電池電流雙閉環(huán)控制策略，結(jié)合風(fēng)輪機自身最大風(fēng)能輸出-轉(zhuǎn)速特性，可以通過控制器調(diào)節(jié)雙向DC/DC的電子開關(guān)管占空比，實現(xiàn)系統(tǒng)的最大風(fēng)能跟蹤，并且完成直流母線電壓的調(diào)壓控制。
3 結(jié)語
本文在介紹分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以無刷直流發(fā)電機為核心構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上提出一種分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對該系統(tǒng)各關(guān)鍵組成部分進行了基本原理分析，并對該分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略進行了詳細論證，初步論證了系統(tǒng)控制原理的可實現(xiàn)性。后續(xù)研究可以圍繞系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)樣機試驗驗證展開，從而以更深入的切入點，論證本文所設(shè)計的分布式分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行特性。并且，隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，可以考慮用鋰電池代替鉛酸、鎳鎘蓄電池的方案可能性，以期得到更好的系統(tǒng)控制性能，最終實現(xiàn)一種高效、可靠的分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
【參考文獻】
關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng)；電氣試驗；分析；研究
中圖分類號：F407文獻標(biāo)識碼： A
1高壓電氣試驗幾種介紹
截波沖擊試驗。一般是波尾截斷的波形，可用ICE標(biāo)準(zhǔn)棒狀間隙截斷，也可用多極點火截斷裝置截斷。用多極點火截斷裝置截斷時?？色@得較準(zhǔn)的截斷時間.示傷波的截斷時間差異大于0.15Ps，截波沖擊試驗結(jié)果就有問題。用棒狀間隙截斷就不易從截斷時間的差異來判斷是否能通過試驗。截波試驗電壓為100%全渡試驗電壓時，如截斷時間小于等于3S時，兩者強度相同。與GIS聯(lián)的變壓器必須要考慮截波試驗，截波試驗必須與全渡試驗交替進行，一般采用負極性截波。
操作波試驗。由于不作操作波試驗的Urn=252kv變壓器的相間絕緣決定于全波沖擊試驗或長時感應(yīng)帶局部放電測量的試驗。要進行操作波試驗時，外部空氣間隙的相間絕緣尺寸就要由操作波試驗電壓決定，可能要比不考核操作波試驗時外部空氣間隙要放大。
局部放電試驗.局部放電試驗是非破壞性試驗項目，目前有兩類試驗方法，一種是以工頻耐壓作為預(yù)激磁電壓，降到局部放電試驗電壓，持續(xù)時間幾分鐘，測局部放電量;另一種是以Um為預(yù)激磁電壓，降到局部放電試驗電壓，持續(xù)1小時，測局部放電量。局部放電量一般與帶電與接地電極表而的場強有關(guān).與電源的頻率無關(guān)。
全渡沖擊試驗.止在修訂的1k;C76-3標(biāo)準(zhǔn)，己將全波沖擊試驗列為Um,126kV變壓器的出廠試驗項目，要進行突發(fā)短路試驗的變壓器，要在短路試驗后作全波沖擊試驗。
2加強試驗人員的技術(shù)培訓(xùn)和安全意識
為了保證高壓實驗的安全，必須在平時加強對員工安全意識的培養(yǎng)以及員工自身技術(shù)的培訓(xùn)。以人為本的工作核心是保證高壓安全實驗的一個重要措施，高壓安全實驗需要人工進行操作，制定的各種安全措施也需要人工去監(jiān)督。因此，加強員工的安全意識是保證實驗安全的重要措施之一，電氣實驗室一個需要細心的工作，在實際工作中有許多輔的準(zhǔn)備工作要做，如果這些工作做的不夠完善，只會給實驗工作帶來安全隱患。技術(shù)水平高超的工作人員可以更好的保證工作中的安全性，所以良好的員工技術(shù)培訓(xùn)基礎(chǔ)，可以使員工熟悉高壓實驗的原理，了解被實驗品的結(jié)構(gòu)，對于實驗過程中出現(xiàn)的各種情況有充分的理論依據(jù)和工作經(jīng)驗進行處理，止確的判斷被實驗品的狀態(tài)和整個實驗過程的結(jié)論。
3規(guī)定高壓電氣試驗工作要求
至少要有兩人進行在高壓同路上使用攜帶型儀器的操作，在這種操作過程中需要對高壓設(shè)備進行停電處理或者預(yù)先做好安全防護措施，在工作前應(yīng)填寫高壓工作時驗票。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障為系統(tǒng)接地故障時，嚴禁進行接地網(wǎng)接地電阻的測量。在雷電現(xiàn)象發(fā)生時，嚴格禁止對線路絕緣的測量工作。如果在同一設(shè)備附近有檢修和高壓電器試驗工作同時進行時，可以使用同一張工作票，但必須在實驗前得到檢修負責(zé)人的許可。在工作進行時，發(fā)出高壓試驗工作票之前，應(yīng)首先將檢修工作票收同，同一地點不能發(fā)出第二張工作票。在高壓實驗工作進行的過程中，如果需要檢修人員配合，應(yīng)將檢修人員的名單填寫在高壓實驗工作票中，事先予以說明，在實驗現(xiàn)場周圍應(yīng)留有足夠的安全距離，在安全距離外裝設(shè)遮欄和圍欄，并在車籃或圍欄上懸掛“止步，高壓危險”標(biāo)示牌，并派人看守。
4高壓電氣試驗安全措施分析研究
在實驗結(jié)束以后，或者實驗過程中需要變更接線方式時，需要有時間的相關(guān)負責(zé)人員發(fā)出降低電壓的口令，等到設(shè)備電壓降低，同零位時，斷開電源。如果實驗設(shè)備為直流實驗設(shè)備，或者具有較大的電容量，需要多次重復(fù)放電過程，每次放電時間至少要一分鐘以上，并且保證進行實驗的設(shè)備周圍，沒有大型的電容設(shè)備止在運行過程中也應(yīng)充分放電。監(jiān)視儀表指示，發(fā)現(xiàn)異常，立即通知降壓.迅速斷開電源，試驗結(jié)束后，應(yīng)拆除自裝的接地短路線，恢復(fù)被試設(shè)備實驗前的接線，拆除安全網(wǎng)并清理和檢查現(xiàn)場，不應(yīng)遺忘工具和其他物件.確保被試設(shè)備和場地恢復(fù)試驗前的狀況。
為了保證電氣高壓實驗的安全進行，必須采用嚴格的預(yù)防措施，首先要詳細的做好危險點的分析控制工作，在日常的工作過程中應(yīng)發(fā)動每一位員工的主觀能動性，集思廣益，通過以實際工作的經(jīng)驗相結(jié)合，對工作過程中所接觸的，全部高壓實驗項目中所包含的危險點進行仔細討論，認真分析，以討論結(jié)果為依據(jù)，對每一個高壓實驗項目并詳細的與之相關(guān)的過程控制規(guī)程，從實驗材料的準(zhǔn)備，所使用設(shè)備的型號和操作標(biāo)準(zhǔn)，以及實驗后的現(xiàn)場清理工作要詳細說明，寫入控制規(guī)程中，并在控制規(guī)程中將所有的危險點的控制措施一一列出，是控制規(guī)程涵蓋所有的高壓實驗環(huán)節(jié)。《電業(yè)安全規(guī)程》規(guī)定了要保證操作人員的人身安全，在進行電氣高壓實驗的過程中，需要對所檢驗設(shè)備進行停電，驗電措施，在實驗之前，應(yīng)裝設(shè)接地線，懸掛標(biāo)示牌，對檢驗設(shè)備裝設(shè)遮攔等，在電氣高壓實驗過程中，要嚴格執(zhí)行相關(guān)規(guī)程中的技術(shù)措施，保證工作中的安全性，高壓實驗針對的目標(biāo)具有特殊性，在每一次高壓實驗項目開始起，必須對實驗對象進行充分的放電，操作人員應(yīng)戴好安全帽，穿上絕緣靴，帶絕緣手套，合上地刀并讓被試設(shè)備充分放電之后，在相應(yīng)的監(jiān)護人的監(jiān)護下，對被試設(shè)備本體直接連接接地導(dǎo)體放電，保證實驗進行之前，設(shè)備完全放電。在實驗過程中，應(yīng)嚴格按照《電業(yè)安全規(guī)程》以及其他相關(guān)規(guī)定和控制規(guī)程的相關(guān)要求，進行詳細的組織工作，幾時行工作票制度，工作許可制度，工作監(jiān)護制度以及工作階段，轉(zhuǎn)移和終結(jié)制度，根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，由班組長或上級主管部門下達第一種工作票，并且在工作過程中，應(yīng)嚴格按票實行時間作業(yè)，按照事先制定的各種規(guī)程，明確責(zé)任分工，再嚴密的現(xiàn)場組織下進行電氣高壓實驗，在實驗過程中應(yīng)嚴格遵守呼唱制度，因為現(xiàn)場情況較為復(fù)雜，背景噪聲較大，人員嘈雜，彼此之間聲音很難傳遞清楚，在這種情況下更應(yīng)該嚴格遵守呼唱制度，確保制度的準(zhǔn)確執(zhí)行，以保證施工的安全。
5結(jié)束語
綜上所述，只有不斷加強對電氣試驗知識的熟悉，努力提高電氣試驗技術(shù)水平克服試驗中所出現(xiàn)的各種主觀性難題才能切實保障高壓電氣試驗的安全保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。
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Abstract： In recent years， with the use of a large number of power electronic components and other nonlinear devices， the harmonic pollution has affected the serious deterioration， which has affects the electrical equipment. The harmonic problem has become the three major pollutions in the power system with electromagnetic interference and power factor reduction. As a three-phase electric energy meter measurement， ADE7878 is widely used in the power grid signal analysis because of its high precision and flexible method. However， due to the defects of the sampling interval， there are obvious deficiencies in harmonic analysis. Aimed at this problem， this paper proposes a rapid analysis method for power system harmonic based on the weighted interception and spline interpolation. It can ensure the accuracy and improve the efficiency. The final experiment proves that the harmonic analysis results are correct.
關(guān)鍵詞： ADE7878；加權(quán)截?。?樣條插值；FFT；諧波快速分析
Key words： ADE7878；weighted interception；spline interpolation；FFT；rapid analysis of harmonic
中圖分類號：TM933.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0154-05
0 引言
近年來，隨著大量電力電子元件及其它非線性設(shè)備的使用[1]，使得電網(wǎng)諧波污染嚴重惡化，已經(jīng)影響到用電設(shè)備，諧波問題已經(jīng)與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)中的三大公害。及時準(zhǔn)確地掌握電網(wǎng)中的諧波分量參數(shù)[2]，才能為諧波治理提供良好的依據(jù)，維護電網(wǎng)的安全運行。
ADE7878作為三相電能測量IC，因其精度高、使用靈活而在電網(wǎng)信號分析中得到廣泛應(yīng)用[3]，但其在諧波分析中存在明顯不足。ADE7878的采樣間隔為125us，每個周波采樣160個點，不是2的整數(shù)冪，因而無法進行常規(guī)基-2FFT運算，這也限制了其在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用。
在進行FFT變換時，通常要求采樣點數(shù)N是2的整數(shù)冪，不滿足這個條件時可以直接進行DFT運算，但是計算效率較低；也可以通過簡單增添有限長的零取樣序列來使N為2的整數(shù)冪，但對于ADE7878的應(yīng)用，N=160，28=256，27=228，需補零96個點，頻譜會發(fā)生很大變化，從計算的效率上看也不經(jīng)濟。本文提出一種針對ADE7878采樣特點的快速精確計算電力系統(tǒng)諧波參數(shù)的方法和裝置。
為克服ADE7878在諧波分析方面存在的上述不足，本文提供一種電力系統(tǒng)諧波快速分析方法及運行裝置。本算法中采用漢寧窗對電壓、電流采樣數(shù)據(jù)進行加權(quán)截取，對截取的信號進行組合數(shù)FFT，先進行常規(guī)基-2FFT變換，再進行5點DFT變換，在保證計算精度的前提下，提高了效率。在此基礎(chǔ)上通過插值修正，得到最終的準(zhǔn)確的諧波分析結(jié)果。
1 基于ADE7878智能電表硬件設(shè)計
ADE7878是Analog Device公司（ADI）設(shè)計生產(chǎn)的一款高精度多功能三相電能計量專用芯片，內(nèi)置多個二階型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓源電路和所必需的信號處理電路，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)基本電參量的測量以及對電網(wǎng)電能質(zhì)量進行監(jiān)測的功能[4]。
ADE7878可以工作在三線制或四線制系統(tǒng)中[5]，而且對電路的接法也不受限制，可以對電網(wǎng)運行的電參量數(shù)據(jù)進行實時采集并發(fā)送到上層控制芯片，方便控制芯片對電參量數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。ADE7878的電壓和電流通道[6]為24bit 型ADC，電壓和電流有效值在動態(tài)范圍為1000：1的動態(tài)下小于0.1%，電能在動態(tài)1000：1下小于0.1%，在動態(tài)3000：1下小于0.2%。ADE7878與上層控制芯片之間具有多種靈活的通信方式，如SPI、I2C和HSDC。ADE7878提供四種工作模式[7]，其中有一種正常模式和三種低功耗模式，這樣可以保證系統(tǒng)在斷電情況下能及時作出相應(yīng)的處理，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。
1.1 基于ADE7878智能電表硬件整體設(shè)計
由于ADE7878具有工作環(huán)境多樣、測量精度高、通信接口靈活等優(yōu)點，使得ADE7878在電力儀器儀表中的應(yīng)用十分廣泛。
智能電表的硬件電路設(shè)計包含以下幾個部分：DSP最小系統(tǒng)設(shè)計、信號采樣電路設(shè)計、實時時鐘電路設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計、RS485通信電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及智能電表供電電源設(shè)計。ADE7878智能電表硬件整體設(shè)計如圖1所示。
本文智能電表采用ADE7878電能計量芯片進行相關(guān)電參量數(shù)據(jù)的采集。ADE7878采用3.3V供電，外加16.384MHz石英晶體振蕩器，待測電流信號采用差分形式輸入，待測電壓信號采用單端輸入方式，電壓、電流信號輸入范圍為-0.5V～0.5V。ADE7878的I/O最大耐壓為±2V，因此需要添加相應(yīng)的保護電路。ADE7878的電路設(shè)計如圖2所示。
圖2中，IAP/IAN、IBP/IBN、ICP/ICN、INP/INN分別對應(yīng)A、B、C三相電流和零線電流經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的差分電壓輸入信號。VAP、VBP、VCP、VN對應(yīng)的是A、B、C三相電壓輸入信號和零線電壓輸入信號，這些信號輸入口的最大電壓變化范圍是-0.5V～0.5V。REF為ADE7878基準(zhǔn)電壓的參考引腳，通過此引腳可以訪問片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的標(biāo)稱值為1.2V，也可以在此引腳上連接1.2V±8%的外部基準(zhǔn)電壓源。這兩種情況下，都需要外加一個4.7uF鉭電容和一個0.1uF的陶瓷電容并聯(lián)來對此引腳進行去耦。芯片復(fù)位后，使能片內(nèi)1.2V基準(zhǔn)電壓源。
1.2 電壓信號采樣電路設(shè)計
電壓信號采樣電路的設(shè)計是信號采集電路的關(guān)鍵部分之一[8]。根據(jù)智能電表的需求分析，配電網(wǎng)一側(cè)的設(shè)計參考電壓范圍為3×65V～465V。在第二章中，已經(jīng)對電壓信號采樣的方案設(shè)計做出了說明，本文中電壓信號采集選擇高精度電壓互感器完成。使用電壓互感器進行電壓信號采樣電路設(shè)計，會產(chǎn)生一定的相位延遲，并且不同的設(shè)計方法產(chǎn)生的測量相位延遲也不同，但均可以在后續(xù)軟件設(shè)計中進行修正。
本文選擇的是電壓互感器是山東力創(chuàng)公司設(shè)計生產(chǎn)的一款高精度電流型電壓互感器LCTV31CE-2mA/2mA。這種電壓互感器的一次側(cè)和二次側(cè)的電流比為1：1，環(huán)路額定電流值為2mA，互感器體積小，電路設(shè)計較為簡單。
由于ADE7878的電壓測量輸入范圍是-0.5V～0.5V，電流型電壓互感器的二次側(cè)額定回路電流為2mA，因此，選擇249Ω（1%）精密電阻作為電壓互感器二次側(cè)取樣電阻比較合適。由于電壓互感器二次側(cè)和一次側(cè)的回路電流為1：1，因此選擇249kΩ（1%）精密電阻作為電壓互感器一次側(cè)的限流電阻較為合適[9]。這樣設(shè)計可以使得一次側(cè)輸入電壓上限達到500V，完全可以滿足配電網(wǎng)65V～465V的設(shè)計參考電壓需求。
通過電壓互感器、限流電阻、取樣電阻，已經(jīng)將配電網(wǎng)的交流大電壓信號轉(zhuǎn)換成了可測量交流小電壓信號，但待測信號送入ADE7878芯片之前還要經(jīng)過濾波電路和信號調(diào)理電路，使得輸入信號便于測量。電壓信號采樣電路設(shè)計如圖3所示。
由于電壓互感器的使用，會使得測量的信號與實際信號之間存在較大的相位誤差，圖3中所示的電壓采樣電路，電壓信號的相位延遲在30°左右?？梢詫@個電壓信號采集電路進行改進，改進后的電壓采樣電路如圖4所示。
按照改進后的電壓采樣電路進行電壓測量，可將信號的相位延遲控制在5°左右。
1.3 電流信號采樣電路設(shè)計
對于交流電流信號的測量，最后送入ADE7878的電流信號為差分電壓信號的形式，因此需要將交流電流信號變換為差分電壓信號的形式。根據(jù)智能電表的需求分析，配電網(wǎng)一側(cè)的設(shè)計參考額定電流為5A～20A，并且有一定的過流過載要求。
為了給設(shè)計留有余量，取樣電阻選擇15Ω（1%）的高精度金屬膜電阻。詳細電路設(shè)計如圖5所示。
圖5中，電流互感器的二次總負載為30Ω，遠遠低于LCTA21CE-40A/20mA所要求的二次側(cè)額定負載最大為100Ω，因此這樣的電路設(shè)計可以獲得較好的線性。
根據(jù)ADE7878元器件自身的特性，在ADE7878的信號輸入端，還應(yīng)該添加1kΩ和33nF的電容并聯(lián)，進一步對輸入信號進行濾波去耦。
由于ADE7878的模擬信號輸入端有最大承受電壓
±2V的限制，因此在信號輸入端應(yīng)該添加電壓鉗位電路，以免影響測量精度，甚至燒壞元器件。本項目中所選的電壓鉗位元件是BAV99?！?V電壓產(chǎn)生電路如圖6所示。采用的是電阻分壓方式從±5V電源之間產(chǎn)生±2V電源。
2 基于加權(quán)截取及樣條插值的智能電表諧波快速分析算法
2.1 加權(quán)截取
2.1.1 電壓電流信號采樣
利用微處理器設(shè)置定時器中斷，每500us讀取一次ADE7878寄存器VAWV、VBWV、VCWV、IAWV、IBWV以及ICWV，連續(xù)采樣四個周期，獲得電力系統(tǒng)三相電壓、電流信號瞬時值序列vA（n）、vB（n）、vC（n）、iA（n）、iB（n）及iC（n），采樣點數(shù)N=60，離散采樣序號n∈[0，N-1]。
2.1.2 漢寧窗加窗截斷
3 實驗及分析
本文所設(shè)計的智能電表電能質(zhì)量監(jiān)測功能包括監(jiān)測各相斷相、失流、過負荷、全失壓、電壓電流逆相序次數(shù)、各相電壓電流的2～19次諧波分析等。相對于其它電能質(zhì)量指標(biāo)來說，諧波含量是電能質(zhì)量中較為重要的一個指標(biāo)。本文在測試中重點對智能電表對電網(wǎng)諧波分析的功能進行了詳細的測試。
本文中智能電表具備2～19次諧波分析功能。為了方便實驗比對，選擇美國福祿克公司設(shè)計生產(chǎn)的F434型三相諧波分析儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器用于實驗數(shù)據(jù)對比。Fluke F434型三相諧波分析儀如圖8所示。在本文的實驗設(shè)計中，由于ADE7878的采樣間隔為125us，每個周波采樣160個點，不是2的整數(shù)冪，因而無法進行常規(guī)基-2FFT運算，故普通FFT采用的是以零補齊的方式，而本文提出的算法由于不受2的整數(shù)冪限制，沒有零補齊。由表1及圖9的實驗結(jié)果可知，本文所提出的諧波分析算法經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)諧波測試分析儀Fluke F434驗證，誤差控制在0.2510%-1.9646%之間，且本文算法2～19次諧波分析測試結(jié)果均優(yōu)于普通FFT結(jié)果，且在2次諧波處誤差獲得最大2.1%的降幅。
4 結(jié)論
本文方法解決了ADE7878電能計量芯片在諧波分析時無法進行常規(guī)FFT的問題。將160個采樣數(shù)據(jù)份分成5組，分別進行32點的基-2FFT，充分利用基-2FFT算法的高效性，既保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，又提高了諧波分析的效率；采用漢寧窗截取采樣序列，減少頻譜泄漏；采用插值修正算法克服了非同步采樣引起的柵欄效應(yīng)。
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【關(guān)鍵詞】 通訊規(guī)約 IEC101 IEC103 IEC104
1通訊規(guī)約簡介
在遠動裝置及自動化系統(tǒng)中，調(diào)度端和廠站之間、自動化設(shè)備之間有大量的YC（遙測）、YX（遙信）、YK（遙控）、YT（遙調(diào)）信息需要進行傳送（見圖1）。為了保證雙方能夠準(zhǔn)確有效地進行通信，并分清信息傳送過程中的輕重緩急，區(qū)別所傳送信息的類別，必須事先約定好數(shù)據(jù)傳送的格式，在信息發(fā)送端和信息接收端做一系列的約定，這種數(shù)據(jù)傳送的格式便是通訊規(guī)約。
圖1 通訊規(guī)約基本模式
通訊規(guī)約是設(shè)備間進行數(shù)據(jù)交互的語言，規(guī)約中對通訊報了一系列的規(guī)定，即為該種交互語言的單詞與語法的規(guī)定。因此，根據(jù)通訊規(guī)約的各類規(guī)定，對報文進行分析和解釋，即可對這種設(shè)備交互的語言進行解讀和分析。
電力系統(tǒng)常用的通訊規(guī)約有“循環(huán)式”和“問答式”兩類。循環(huán)式規(guī)約以循環(huán)的方式周期性地傳送信息給接收端，不顧及接收端的需求，也不要求接收端給予回答，常用的有CDT規(guī)約。問答式規(guī)約以主站端為主，依次向各個RTU或終端發(fā)出查詢命令，各RTU或終端根據(jù)查詢命令進行回答，回答信息串長度是可變的，常用的有N4F、IEC101、IEC103、IEC104規(guī)約等。
2通訊接口及新型連接器設(shè)計
常用通訊接口包括串行接口和網(wǎng)絡(luò)接口。串行接口又根據(jù)連接形式的不同，分為RS232、RS422、RS485等多種類型。
美國SEL公司（SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES， INC.）生產(chǎn)的微機型繼電器在電力系統(tǒng)中有較廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用型號包括SEL351、SEL551、SEL387等型號。SEL系列繼電器主要使用了RS232串口、EIA485串口兩種端口進行通訊，進行設(shè)備調(diào)試、檢修時需要分別使用專用連接線通過相應(yīng)的端口與繼電器進行連接，進而根據(jù)通訊規(guī)約開展相關(guān)工作。由于繼電器相關(guān)設(shè)備調(diào)試工作一般都為現(xiàn)場移動作業(yè)，帶多根不同類型的連接線較為不便，且在實際工作時容易拿錯線導(dǎo)致影響工作效率。同時，新型筆記本電腦一般都不再配備RS232串口，只能使用USB轉(zhuǎn)串口線，這使現(xiàn)場工作需再多攜帶一根USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)接線，進一步增加現(xiàn)場工作復(fù)雜程度和難度。因此，我們設(shè)計一種便攜式通用型SEL繼電器用通訊連接器，方便SEL繼電器現(xiàn)場調(diào)試、檢修使用，如圖2所示。
圖2 便攜式通用型SEL繼電器用通訊連接器設(shè)計圖
連接器一端（右側(cè)）設(shè)計為現(xiàn)行通用型標(biāo)準(zhǔn)USB接口，可方便插入常用筆記本電腦所帶的標(biāo)準(zhǔn)型USB口中，便于與筆記本電腦進行連接；連接器另一端（左側(cè)）設(shè)計為與繼電器進行連接的模塊化接口，一側(cè)為RS232接口，另一側(cè)為EIA485接口，均采用標(biāo)準(zhǔn)9針串口形式，但針腳定義不同。
3電力規(guī)約報文解析軟件研究
IEC101、IEC103、IEC104為目前在電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的通訊規(guī)約。因此，可設(shè)計一種電力規(guī)約報文解析軟件，以方便進行報文解析，如圖3所示。
圖3 電力規(guī)約報文解析軟件
4結(jié)語
